JP2010276531A - Apparatus and method for estimating incoming direction - Google Patents

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Ryosuke Fujiwara
亮介 藤原
Daisuke Maeda
大輔 前田
Sukeyuki Miyazaki
祐行 宮▲崎▼
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an apparatus for estimating an incoming direction and a method for estimating an incoming direction which obtains phase information of a carrier wave of a pulse signal by a simple hardware structure to accurately estimate the incoming direction of the pulse signal. <P>SOLUTION: Respective antennas receive a first incoming wave and other incoming waves of a first radio signal in a multi-path environment. A first incoming wave detecting part detects the first incoming wave. A timing control part determines first sampling timing based on the detected first incoming wave. A first sampling part establishes synchronization between I and Q signals and the determined first sampling timing during a preamble period. A first correlation part obtains correlation data of the first radio wave. An incoming direction estimating part detects phase difference between first radio waves received by the respective antennas. The incoming direction of the first radio signal is calculated based on the detected phase difference. <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&INPIT

Description

本発明は、無線通信を用いて無線信号の送信元が存在する方向を推定する到来方向推定装置及び到来方向推定方法に関する。   The present invention relates to an arrival direction estimation apparatus and an arrival direction estimation method for estimating a direction in which a wireless signal transmission source exists using wireless communication.

物体の位置を測定する方法として、GPS(Global Positioning System)を利用する方法及びレーダ(特に、ミリ波帯を用いたレーダ)を利用する方法が知られている。   As a method for measuring the position of an object, a method using a GPS (Global Positioning System) and a method using a radar (particularly, a radar using a millimeter wave band) are known.

また、二つの受信ユニットを用いて、各受信ユニットに到達する無線信号の受信時刻を取得し、取得した受信時刻の差から無線信号の到来方向を推定する技術が提案されている(例えば、特許文献1参照)。   Further, a technique has been proposed in which the reception time of a radio signal reaching each reception unit is acquired using two reception units, and the arrival direction of the radio signal is estimated from the difference between the acquired reception times (for example, a patent) Reference 1).

また、複数の基地局を用いて、各端末(ノード)から送信される無線信号の受信時刻を取得し、取得した受信時刻の差と光速とを乗算し、ノードからの各基地局までの信号の伝搬距離を計算することによって、ノードの位置を測定するシステムが提案されている(例えば、非特許文献1、2参照)。   Moreover, the reception time of the radio signal transmitted from each terminal (node) is acquired using a plurality of base stations, the difference between the acquired reception times and the speed of light is multiplied, and the signal from the node to each base station A system for measuring the position of a node by calculating the propagation distance of (see Non-Patent Documents 1 and 2) has been proposed.

特表2007−518968号公報Special table 2007-518968 gazette

荻野敦、他5名、「無線LAN統合アクセスシステム(1)位置検出システムの検討」、2003年総合大会講演論文集、電子情報通信学会、B−5−203、p.662Atsushi Kanno and five others, “Study of Wireless LAN Integrated Access System (1) Location Detection System”, Proceedings of the 2003 General Conference, IEICE, B-5-203, p. 662 水垣健一、他9名、「3nW/bps超低消費電力UWB無線システム(6):30cm高精度測位システムの検討」、2005年ソサイエティ大会講演論文集、電子情報通信学会、A−5−15、p.139Kenichi Mizugaki and nine others, “3nW / bps ultra-low power consumption UWB wireless system (6): Study of 30cm high-accuracy positioning system”, 2005 Society Conference Proceedings, IEICE, A-5-15, p. 139

無線信号の到来方向(AOA:Angle of Arrival)を推定する場合、背景技術において述べたように無線信号の到達時刻の差を測定する。   When estimating the arrival direction (AOA) of a radio signal, the difference in arrival time of the radio signal is measured as described in the background art.

図18は、従来の複数アンテナを用いた到来方向推定(AOA)の説明図である。   FIG. 18 is an explanatory diagram of direction of arrival estimation (AOA) using a plurality of conventional antennas.

アンテナ101とアンテナ102との間の距離がLであり、無線信号の到来方向がθである場合、二つのアンテナ101、アンテナ102に到来する無線信号の経路差dは、下記の式で与えられる。   When the distance between the antenna 101 and the antenna 102 is L and the arrival direction of the radio signal is θ, the path difference d between the radio signals arriving at the two antennas 101 and 102 is given by the following equation. .

d=L×sinθ
前述した特許文献1に記載された技術によると、受信ユニットは、パルス信号の包絡線(エネルギー)を検出し、検出された包絡線に基づいて、パルス信号の受信時刻を計測する。そして、計測された受信時刻の差を求めることによって、パルス信号の到来方向を計算する。このため、原理的に、計測することができる受信時刻の精度は、パルス信号のパルス幅に依存する。
d = L × sin θ
According to the technique described in Patent Document 1 described above, the reception unit detects the envelope (energy) of the pulse signal, and measures the reception time of the pulse signal based on the detected envelope. And the arrival direction of a pulse signal is calculated by calculating | requiring the difference of the measured reception time. For this reason, in principle, the accuracy of the reception time that can be measured depends on the pulse width of the pulse signal.

例えば、高精度に到来時刻を推定する場合には、ウルトラワイドバンドインパルスラジオ(UWB−IR)方式が利用されるが、UWB−IRのパルス信号のパルス幅は1〜2ナノ秒であるので、受信時刻の誤差によって、経路差dは、少なくとも30センチメートル以上の誤差を含む。この場合、高い精度で到来方向を推定するためには、アンテナ間の距離Lを、一般的には数メートル以上と、大きくしなければならない。したがって、UWB−IRによって高精度な到来方向推定システムを実現しようとすると、ハードウェアの構成が複雑かつ大規模になる問題がある。   For example, when estimating the arrival time with high accuracy, an ultra-wide band impulse radio (UWB-IR) method is used, but the pulse width of the UWB-IR pulse signal is 1 to 2 nanoseconds. Due to an error in reception time, the path difference d includes an error of at least 30 centimeters or more. In this case, in order to estimate the direction of arrival with high accuracy, the distance L between the antennas must generally be increased to several meters or more. Therefore, there is a problem that the hardware configuration becomes complicated and large-scale when an accurate direction-of-arrival estimation system is realized by UWB-IR.

ところで、受信時刻の差を高精度に推定する方法として、受信した複数のパルス信号に用いられている搬送波の位相情報を比較する方法がある。   By the way, as a method for estimating the difference in reception time with high accuracy, there is a method for comparing phase information of carrier waves used in a plurality of received pulse signals.

図19は、従来のパルス信号の搬送波の位相差の説明図である。   FIG. 19 is an explanatory diagram of a phase difference of a carrier wave of a conventional pulse signal.

パルス信号がアンテナ101、アンテナ102で受信される場合、アンテナ101とアンテナ102とは距離Lだけ離れているので、受信した各パルス信号の経路差dによって、アンテナ101が受信したパルス信号s1の搬送波とアンテナ102が受信したパルス信号s2の搬送波との間に位相差αが生じる。   When the pulse signals are received by the antenna 101 and the antenna 102, the antenna 101 and the antenna 102 are separated from each other by a distance L. Therefore, the carrier wave of the pulse signal s1 received by the antenna 101 due to the path difference d of each received pulse signal. And a phase difference α between the carrier wave of the pulse signal s2 received by the antenna 102.

各パルス信号の搬送波の位相情報を比較する場合、パルス信号の搬送波の周波数(例えば、4GHz)は、パルスの繰返し周波数(例えば、32MHz)よりもずっと大きいので、ナノ秒の数分の1のオーダーで受信時刻の差を取得することができる。このため、アンテナ101とアンテナ102との間の距離Lがパルス信号の1/2波長以下の場合であっても、高い精度で到来方向を推定することができる。つまり、各アンテナの間の距離が小さくてもよいので、受信機を小型化することができる。   When comparing the phase information of the carrier of each pulse signal, the frequency of the carrier of the pulse signal (eg, 4 GHz) is much greater than the pulse repetition frequency (eg, 32 MHz), so it is on the order of a fraction of nanoseconds. The difference in the reception time can be acquired. For this reason, even when the distance L between the antenna 101 and the antenna 102 is equal to or less than ½ wavelength of the pulse signal, the direction of arrival can be estimated with high accuracy. In other words, since the distance between the antennas may be small, the receiver can be downsized.

図20は、従来のマルチパス環境における受信波形の例を示す説明図である。   FIG. 20 is an explanatory diagram showing an example of a received waveform in a conventional multipath environment.

図20の縦軸は受信信号の強度(振幅値)であり、横軸は時間である。屋内等のマルチパス環境において、ピーク波は直接波(第1到来波)の後に現れることがある。   The vertical axis in FIG. 20 is the intensity (amplitude value) of the received signal, and the horizontal axis is time. In a multipath environment such as indoors, a peak wave may appear after a direct wave (first incoming wave).

また、一般的に、受信機は、信号対雑音電力比が高いピーク波に基づいて受信した信号とサンプリングタイミングとを同期するように設計されている。   In general, a receiver is designed to synchronize a received signal and a sampling timing based on a peak wave having a high signal-to-noise power ratio.

ところで、マルチパス環境において、直接波でないピーク波に基づいて同期された搬送波の位相情報では、高い精度でパルス信号の到来方向を推定することができないので、受信機は、直接波の位相情報を取得する必要がある。したがって、受信機は、ピーク波ではなく、直接波に基づいて、受信信号を同期させなければならないが、特に、UWB−IR方式のような高時間分解能なパルス信号を用いるシステムでは、簡易なハードウェアの構成によって、直接波の位相情報を取得する処理を実現するのは非常に困難であった。   By the way, in the multipath environment, the phase information of the carrier wave synchronized based on the peak wave that is not the direct wave cannot estimate the arrival direction of the pulse signal with high accuracy. Need to get. Therefore, the receiver must synchronize the received signal based on the direct wave, not the peak wave. In particular, in a system using a pulse signal with high time resolution such as the UWB-IR method, a simple hardware is required. It is very difficult to realize the process of acquiring the phase information of the direct wave depending on the configuration of the wear.

本発明は、前述した問題に鑑みてなされたものであり、簡易な構成のハードウェアによって、マルチパス環境においても、直接波の位相情報を取得し、到来方向を高精度に推定することができる到来方向推定装置及び方法を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above-described problems, and can acquire phase information of a direct wave and estimate an arrival direction with high accuracy even in a multipath environment by hardware with a simple configuration. An object of the present invention is to provide an arrival direction estimation apparatus and method.

本発明の代表的な一例を示せば以下のとおりである。すなわち、無線機によって送信された無線信号の到来方向を推定する到来方向推定装置であって、前記到来方向推定装置は、複数のアンテナと、第1サンプリング部と、第1相関部と、到来方向推定部と、第1到来波検出部と、タイミング制御部と、を備え、前記各アンテナは、マルチパス環境において第1の前記無線信号の第1到来波及びその他の到来波を受信し、前記第1到来波検出部は、前記第1相関部によって出力された、前記第1の無線信号の相関データに基づいて、前記第1到来波を検出し、前記タイミング制御部は、前記検出された第1到来波に基づいて、第1サンプリングタイミングを決定し、前記第1サンプリング部は、前記第1到来波から生成されたパケットのプリアンブル期間中に、所定のサンプリング周波数に基づいて、前記第1の無線信号を直交復調することによって取得されるI、Q信号と、前記決定された第1サンプリングタイミングと、の同期を確立し、前記第1相関部は、前記第1サンプリングタイミングによってサンプリングされたI、Q信号と前記無線機が使用する拡散符号との符号相関を計算することによって、前記第1の無線信号の相関データを取得し、前記到来方向推定部は、前記第1相関部によって出力された、前記第1の無線信号の相関データに基づいて、前記各アンテナが受信した第1の無線信号の間の位相差を検出し、前記検出された位相差に基づいて、前記第1の無線信号の到来方向を計算することを特徴とする。   A typical example of the present invention is as follows. That is, an arrival direction estimation apparatus that estimates an arrival direction of a radio signal transmitted by a radio device, wherein the arrival direction estimation apparatus includes a plurality of antennas, a first sampling unit, a first correlation unit, and an arrival direction. An estimation unit, a first arrival wave detection unit, and a timing control unit, wherein each antenna receives a first arrival wave and other arrival waves of the first radio signal in a multipath environment, and The first arrival wave detection unit detects the first arrival wave based on the correlation data of the first radio signal output by the first correlation unit, and the timing control unit detects the detected A first sampling timing is determined based on the first incoming wave, and the first sampling unit is based on a predetermined sampling frequency during a preamble period of a packet generated from the first incoming wave. And establishing synchronization between the I and Q signals obtained by quadrature demodulation of the first radio signal and the determined first sampling timing, and the first correlator is configured to perform the first sampling. Correlation data of the first radio signal is obtained by calculating a code correlation between the I and Q signals sampled according to timing and a spreading code used by the radio, and the arrival direction estimation unit is A phase difference between the first radio signals received by the respective antennas is detected based on correlation data of the first radio signal output by one correlator, and based on the detected phase difference The arrival direction of the first radio signal is calculated.

本発明の一実施形態によれば、簡易な構成及び簡易な処理によって、無線信号の到来方向を高精度に推定することができる。   According to an embodiment of the present invention, the arrival direction of a radio signal can be estimated with high accuracy by a simple configuration and simple processing.

本発明の第1の実施形態の到来方向推定装置の構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structure of the arrival direction estimation apparatus of the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第1の実施形態の到来方向推定装置の処理を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the process of the arrival direction estimation apparatus of the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第1の実施形態の直交周波数変換部の処理によって出力されるパルス信号の波形を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the waveform of the pulse signal output by the process of the orthogonal frequency conversion part of the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第1の実施形態の直交周波数変換部402の処理によって出力されるパルス信号のコンスタレーションを示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the constellation of the pulse signal output by the process of the orthogonal frequency conversion part 402 of the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第1の実施形態のデータ期間中のサンプリングの例を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the example of the sampling during the data period of the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第1の実施形態のプリアンブル期間中のサンプリングの例を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the example of the sampling during the preamble period of the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第1の実施形態の到来方向推定装置のサンプリング部の処理によって出力される信号の波形を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the waveform of the signal output by the process of the sampling part of the arrival direction estimation apparatus of the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第1の実施形態の相関部及び第1到来波検出部の構成の例を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the example of a structure of the correlation part of the 1st Embodiment of this invention, and a 1st incoming wave detection part. 本発明の第1の実施形態のサンプリング部の構成の例を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the example of a structure of the sampling part of the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第1の実施形態のサンプリングの処理の例を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the example of the process of the sampling of the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第1の実施形態のサンプリング部の構成の別の例を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows another example of a structure of the sampling part of the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第1の実施形態のサンプリングの処理の別の例を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows another example of the process of the sampling of the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第1の実施形態のサンプリングの処理の別の例を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows another example of the process of the sampling of the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第2の実施形態の到来方向推定装置の構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structure of the arrival direction estimation apparatus of the 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第3の実施形態の到来方向推定装置の構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structure of the arrival direction estimation apparatus of the 3rd Embodiment of this invention. 本発明の第3の実施形態の到来方向推定装置の処理の例を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the example of a process of the arrival direction estimation apparatus of the 3rd Embodiment of this invention. 本発明の第4の実施形態の到来方向推定装置の構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structure of the arrival direction estimation apparatus of the 4th Embodiment of this invention. 本発明の第5の実施形態の到来方向推定装置の構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structure of the arrival direction estimation apparatus of the 5th Embodiment of this invention. 本発明による到来方向推定装置を利用した測位システムの第1の例を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the 1st example of the positioning system using the arrival direction estimation apparatus by this invention. 本発明による到来方向推定装置を利用した測位システムの第2の例を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the 2nd example of the positioning system using the arrival direction estimation apparatus by this invention. 本発明による到来方向推定装置を利用した測位システムの第3の例を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the 3rd example of the positioning system using the arrival direction estimation apparatus by this invention. 従来の複数アンテナを用いた到来方向推定(AOA)の説明図である。It is explanatory drawing of the arrival direction estimation (AOA) using the conventional multiple antenna. 従来のパルス信号の搬送波の位相差の説明図である。It is explanatory drawing of the phase difference of the carrier wave of the conventional pulse signal. 従来のマルチパス環境における受信波形の例を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the example of the received waveform in the conventional multipath environment.

以下、本発明の実施形態を、図面を参照して説明する。   Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.

[実施形態1]
第1の実施形態の到来方向推定装置について図1〜図7を用いて説明する。
[Embodiment 1]
An arrival direction estimation apparatus according to the first embodiment will be described with reference to FIGS.

図1は、本発明の第1の実施形態の到来方向推定装置の構成を示すブロック図である。   FIG. 1 is a block diagram showing the configuration of the arrival direction estimation apparatus according to the first embodiment of the present invention.

第1の実施形態の到来方向推定装置は、複数のアンテナ401、複数の直交周波数変換部(Down conversion)402、複数のサンプリング部(Smapling)403、複数の相関部(Correlation)404、第1到来波検出部(First path synchronization)405、ダウンサンプリング部(Down−samp)406、同期追跡部(Tracking)407、復調部(Demodulation)408、到来時刻推定部(TOA estimation)409、タイミング制御部(Timing control)410、到来方向推定部(Angle estimation)411、ローカル発振器(LO)412、タイミング生成部(TG)413及び制御部(Control)414を備える。   The arrival direction estimation apparatus according to the first embodiment includes a plurality of antennas 401, a plurality of orthogonal frequency conversion units (Down conversion) 402, a plurality of sampling units (Smapping) 403, a plurality of correlation units (Correlation) 404, and a first arrival. Wave detection unit (First path synchronization) 405, downsampling unit (Down-samp) 406, synchronization tracking unit (Tracking) 407, demodulation unit (Demodulation) 408, arrival time estimation unit (TOA estimation) 409, timing control unit (Timing) control) 410, direction of arrival estimation unit (Angle estimation) 411, local oscillator (LO) 412, timing generation unit (TG) 413, and control unit (Co trol) equipped with a 414.

アンテナ401は、図示しない端末又は送信機(ノード)によって送信されたUWB−IRのパルス信号を受信し、受信したパルス信号(s1、s2、・・・)を直交周波数変換部402に出力する。なお、直交周波数変換部402、サンプリング部403及び相関部404は、アンテナ401と同じ数が備えられる。   The antenna 401 receives a UWB-IR pulse signal transmitted from a terminal (not shown) or a transmitter (node), and outputs the received pulse signal (s1, s2,...) To the orthogonal frequency converter 402. Note that the same number of orthogonal frequency conversion units 402, sampling units 403, and correlation units 404 as antennas 401 are provided.

直交周波数変換部402は、アンテナ401から入力された受信パルス信号(s1、s2、・・・)をパルス信号(d1、d2、・・・)に変換し、変換されたパルス信号(d1、d2、・・・)をサンプリング部403に出力する。パルス信号(d1、d2、・・・)は、同相成分(I成分)及び直交成分(Q成分)の二つの成分によって表わされる。なお、直交周波数変換部402の処理の詳細については、図2及び図3を用いて後述する。   The orthogonal frequency converter 402 converts the received pulse signals (s1, s2,...) Input from the antenna 401 into pulse signals (d1, d2,...), And the converted pulse signals (d1, d2). ,... Are output to the sampling unit 403. The pulse signal (d1, d2,...) Is represented by two components, an in-phase component (I component) and a quadrature component (Q component). Details of the processing of the orthogonal frequency transform unit 402 will be described later with reference to FIGS.

サンプリング部403は、タイミング生成部(TG)413によって生成されたタイミングに基づいて、直交周波数変換部402から入力されたパルス信号(d1、d2、・・・)をサンプリングすることによって、ベースバンド信号(x1、x2、・・・)を生成し、生成されたベースバンド信号(x1、x2、・・・)を相関部404に出力する。なお、サンプリング部403の処理の詳細については、図4から図6、図8及び図9を用いて後述する。   The sampling unit 403 samples the pulse signal (d1, d2,...) Input from the orthogonal frequency conversion unit 402 based on the timing generated by the timing generation unit (TG) 413, thereby generating a baseband signal. (X1, x2,...) Are generated, and the generated baseband signals (x1, x2,...) Are output to the correlation unit 404. Details of the processing of the sampling unit 403 will be described later with reference to FIGS. 4 to 6, 8, and 9.

相関部404は、サンプリング部403から入力されたベースバンド信号(x1、x2、・・・)と、送信側で用いられた拡散符号との相関を計算することによって、相関データを生成し、生成された相関データを第1到来波検出部405に出力する。   The correlation unit 404 generates correlation data by calculating the correlation between the baseband signal (x1, x2,...) Input from the sampling unit 403 and the spreading code used on the transmission side. The correlation data thus output is output to the first incoming wave detection unit 405.

第1到来波検出部405は、相関部404から入力された相関データに基づいて、第1到来波を検出する。さらに、第1到来波検出部405は、検出された第1到来波を基準として、パルス信号(d1、d2、・・・)とサンプリングタイミングとを同期させるためのタイミング制御信号を生成し、生成されたタイミング制御信号を同期追跡部407、到来時刻推定部409及びタイミング制御部410に出力する。また、拡散符号同期のための逆拡散タイミング制御信号を生成し、生成された逆拡散タイミング制御信号をダウンサンプリング部406に出力する。なお、相関部404及び第1到来波検出部405の処理の詳細については、図7を用いて後述する。   The first incoming wave detection unit 405 detects the first incoming wave based on the correlation data input from the correlation unit 404. Further, the first incoming wave detection unit 405 generates and generates a timing control signal for synchronizing the pulse signals (d1, d2,...) And the sampling timing with reference to the detected first incoming wave. The timing control signal thus output is output to the synchronization tracking unit 407, the arrival time estimation unit 409, and the timing control unit 410. In addition, a despreading timing control signal for spreading code synchronization is generated, and the generated despreading timing control signal is output to downsampling section 406. Details of the processing of the correlation unit 404 and the first incoming wave detection unit 405 will be described later with reference to FIG.

ダウンサンプリング部406は、第1到来波検出部405から入力された逆拡散タイミング制御信号に基づいて、拡散符号長の逆数倍のサンプリングレートを用いて、相関部404から入力された相関データをサンプリングし、サンプリングされた相関データを同期追跡部407、復調部408及び到来方向推定部411に出力する。   Based on the despreading timing control signal input from the first incoming wave detection unit 405, the downsampling unit 406 converts the correlation data input from the correlation unit 404 using a sampling rate that is a reciprocal of the spreading code length. Sampling is performed, and the sampled correlation data is output to the synchronization tracking unit 407, the demodulation unit 408, and the arrival direction estimation unit 411.

同期追跡部407は、第1到来波検出部405から入力されたタイミング制御信号、及びダウンサンプリング部406から入力されたサンプリング後の相関データに基づいて、サンプリング部403のサンプリングタイミングを制御するためのタイミング制御信号を生成し、生成されたタイミング制御信号をタイミング生成部413に出力する。   The synchronization tracking unit 407 controls the sampling timing of the sampling unit 403 based on the timing control signal input from the first incoming wave detection unit 405 and the correlation data after sampling input from the downsampling unit 406. A timing control signal is generated, and the generated timing control signal is output to the timing generation unit 413.

復調部408は、ダウンサンプリング部406から入力されたサンプリング後の相関データを符号情報に復調し、復調された符号情報を到来時刻推定部409、到来方向推定部411及び制御部414に出力する。   Demodulation section 408 demodulates the sampled correlation data input from downsampling section 406 into code information, and outputs the demodulated code information to arrival time estimation section 409, arrival direction estimation section 411, and control section 414.

到来時刻推定部409は、パルス信号(s1、s2、・・・)の受信時刻を計算する。具体的には、復調部408から入力された符号情報、及び同期追跡部407から入力されたタイミング制御信号に基づいて、パケットのフレーム開始部(SFD:Start Frame Delimiter)を取得した時のクロック数を計数することによって、パケットの受信時刻を計算する。   The arrival time estimation unit 409 calculates the reception time of the pulse signals (s1, s2,...). Specifically, based on the code information input from the demodulation unit 408 and the timing control signal input from the synchronization tracking unit 407, the number of clocks when the frame start portion (SFD) of the packet is acquired. The packet reception time is calculated by counting.

タイミング制御部410は、第1到来波検出部405から入力されたタイミング制御信号、及び同期追跡部407から入力されたタイミング制御信号に基づいて、タイミング生成部413を制御する。   The timing control unit 410 controls the timing generation unit 413 based on the timing control signal input from the first incoming wave detection unit 405 and the timing control signal input from the synchronization tracking unit 407.

到来方向推定部411は、各アンテナが受信したパルス信号(s1、s2、・・・)に対応する相関データのI、Q成分に基づいて、受信した各パルス信号の間の位相差を検出し、さらに、検出された位相差に基づいて、パルス信号の到来方向を計算する。   The arrival direction estimation unit 411 detects the phase difference between the received pulse signals based on the I and Q components of the correlation data corresponding to the pulse signals (s1, s2,...) Received by each antenna. Further, the arrival direction of the pulse signal is calculated based on the detected phase difference.

ローカル発振器412は、直交周波数変換部402及びタイミング生成部413に基準クロックを供給する。タイミング生成部413は、サンプリングタイミングを生成し、生成されたサンプリングタイミングをサンプリング部403に出力する。制御部414は、復調された符号情報等を処理する上位のモジュールである。   The local oscillator 412 supplies a reference clock to the orthogonal frequency converter 402 and the timing generator 413. The timing generation unit 413 generates a sampling timing, and outputs the generated sampling timing to the sampling unit 403. The control unit 414 is an upper module that processes demodulated code information and the like.

図2は、本発明の第1の実施形態の到来方向推定装置の処理を示すフローチャートである。   FIG. 2 is a flowchart illustrating processing of the arrival direction estimation apparatus according to the first embodiment of this invention.

まず、S501において、直交周波数変換部402は、各アンテナ401から入力された受信パルス信号(s1、s2、・・・)を必要に応じて増幅し、増幅された受信パルス信号(s1、s2、・・・)と、ローカル発振器412によって入力された受信パルス信号の搬送波と同じ周波数を持つ信号とを乗算し、また、増幅された受信パルス信号(s1、s2、・・・)と前述した受信パルス信号の搬送波と同じ周波数を持つ信号とは位相が90度だけ異なった信号とを乗算する。   First, in S501, the orthogonal frequency converter 402 amplifies the received pulse signals (s1, s2,...) Input from the antennas 401 as necessary, and amplifies the received pulse signals (s1, s2,. ..) And a signal having the same frequency as the carrier wave of the reception pulse signal input by the local oscillator 412, and the reception pulse signal (s 1, s 2,. The signal having the same frequency as the carrier wave of the pulse signal is multiplied by a signal whose phase is different by 90 degrees.

さらに、直交周波数変換部402は、ローパスフィルタを用いて、乗算された各信号の交流成分を除去し、パルス信号(d1、d2、・・・)を生成する。パルス信号(d1、d2、・・・)は、複素信号であり、I成分(d1I、d2I、・・・)とQ成分(d1Q、d2Q、・・・)との二つの成分によって表わされる。   Further, the orthogonal frequency conversion unit 402 uses a low-pass filter to remove the AC component of each multiplied signal, and generates a pulse signal (d1, d2,...). The pulse signal (d1, d2,...) Is a complex signal and is represented by two components, an I component (d1I, d2I,...) And a Q component (d1Q, d2Q,...).

図3Aは、本発明の第1の実施形態の直交周波数変換部402の処理によって出力されるパルス信号の波形を示す説明図である。   FIG. 3A is an explanatory diagram illustrating a waveform of a pulse signal output by the process of the orthogonal frequency conversion unit 402 according to the first embodiment of this invention.

s1、s2は、各アンテナ401から入力された受信パルス信号の波形である。d1、d2は、直交周波数変換部404の処理によって出力されたパルス信号の波形である。d1、d2は、それぞれI成分及びQ成分を含む。   s1 and s2 are waveforms of reception pulse signals input from the respective antennas 401. d1 and d2 are the waveforms of the pulse signals output by the processing of the orthogonal frequency converter 404. d1 and d2 each include an I component and a Q component.

なお、受信パルス信号(s1、s2)の搬送波の周波数とローカル発振器412の周波数との間に偏差がある場合、出力されたパルス信号(d1、d2)の波形の尖頭値は、前述した偏差によって変動する(うねりを生じる)。   When there is a deviation between the carrier frequency of the received pulse signal (s1, s2) and the frequency of the local oscillator 412, the peak value of the waveform of the output pulse signal (d1, d2) is the deviation described above. Fluctuates depending on (causes swell)

図3Bは、本発明の第1の実施形態の直交周波数変換部402の処理によって出力されるパルス信号のコンスタレーションを示す説明図である。   FIG. 3B is an explanatory diagram illustrating a constellation of a pulse signal output by the process of the orthogonal frequency conversion unit 402 according to the first embodiment of this invention.

各パルス信号(d1、d2)のI成分及びQ成分の尖頭値をIQ平面上でプロットすると、図3Bに示すとおり、例えば、時刻t1のコンスタレーション、及び、時刻t2のコンスタレーションが作成される。各コンスタレーションにおいて、複素ベクトルd1とd2とは、回転位相差αを持つ。回転位相差αは、図19に示した受信パルス信号s1とs2との位相差αである。なお、前述した偏差によって尖頭値が変動するので、時刻t1から時刻t2に進むにしたがって、複素ベクトルd1、d2はIQ平面上で回転する。   When the peak values of the I component and Q component of each pulse signal (d1, d2) are plotted on the IQ plane, for example, a constellation at time t1 and a constellation at time t2 are created as shown in FIG. 3B. The In each constellation, the complex vectors d1 and d2 have a rotational phase difference α. The rotational phase difference α is the phase difference α between the reception pulse signals s1 and s2 shown in FIG. Since the peak value fluctuates due to the above-described deviation, the complex vectors d1 and d2 rotate on the IQ plane as time advances from time t1 to time t2.

また、前述した偏差がない場合、パルス信号(d1、d2、・・・)のそれぞれの尖頭値は一定の値となり、変動しないので、複素ベクトルd1、d2は、IQ平面上で回転しない。   Further, when there is no deviation as described above, the peak values of the pulse signals (d1, d2,...) Are constant values and do not fluctuate, so that the complex vectors d1, d2 do not rotate on the IQ plane.

なお、必要に応じて、直交周波数変換部402とサンプリング部403との間に、可変ゲインアンプ等が挿入されてもよい。この場合、後段のダイナミックレンジに適するように適切なゲインが選択される。   Note that a variable gain amplifier or the like may be inserted between the orthogonal frequency conversion unit 402 and the sampling unit 403 as necessary. In this case, an appropriate gain is selected so as to be suitable for the subsequent dynamic range.

図2のS501の後、S504からS507において、サンプリング部403、相関部404、第1到来波検出部405、及び、タイミング制御部410は、パルス信号(d1、d2、・・・)とサンプリングタイミングとを同期させることによって、ベースバンド信号(x1、x2、・・・)を生成し、生成されたベースバンド信号(x1、x2、・・・)を相関部404に出力する。   After S501 in FIG. 2, in S504 to S507, the sampling unit 403, the correlation unit 404, the first incoming wave detection unit 405, and the timing control unit 410 determine the pulse signal (d1, d2,...) And the sampling timing. Are generated, and baseband signals (x1, x2,...) Are generated, and the generated baseband signals (x1, x2,...) Are output to the correlation unit 404.

まず、S504において、サンプリング部403は、直交周波数変換部402から入力されたパルス信号(d1、d2、・・・)のI成分及びQ成分にサンプリングをする。ここで、サンプリング部403は、受信パルス信号(s1、s2、・・・)の搬送波の周波数よりも低いサンプリング周波数(例えば、パルス繰返し周波数)を用いて、パルス信号(d1、d2、・・・)をサンプリングする。この場合、サンプリング部403は、復調された符号情報によって構成されるパケットのプリアンブル部に相当する期間中にサンプリングタイミングの同期を確立する。パケットの構成については、図6を用いて後述する。   First, in S504, the sampling unit 403 samples the I component and Q component of the pulse signal (d1, d2,...) Input from the orthogonal frequency conversion unit 402. Here, the sampling unit 403 uses a sampling frequency (for example, pulse repetition frequency) lower than the frequency of the carrier wave of the received pulse signal (s1, s2,...), And uses the pulse signal (d1, d2,. ). In this case, the sampling unit 403 establishes sampling timing synchronization during a period corresponding to the preamble portion of the packet configured by the demodulated code information. The packet configuration will be described later with reference to FIG.

図4は、本発明の第1の実施形態のデータ期間中のサンプリングの例を示す説明図である。   FIG. 4 is an explanatory diagram illustrating an example of sampling during the data period according to the first embodiment of this invention.

サンプリングのタイミング(黒点)は、受信パルス信号(s1、s2)が到来するタイミング、すなわち、パルス信号(d1、d2)の尖頭値が現れるタイミングである。   The sampling timing (black dot) is the timing at which the received pulse signal (s1, s2) arrives, that is, the timing at which the peak value of the pulse signal (d1, d2) appears.

パケットのプリアンブル期間(T1(図6参照))において、パルス信号(d1、d2、・・・)とサンプリングタイミングとの同期が確立されると、データ期間(T2(図6参照))において、一度確立された同期は維持される。なお、図4に示したように、サンプリング周波数は、パルス信号の搬送波の周波数(例えば、4GHz)ではなく、パルス信号のパルス繰り返し周波数(例えば、32MHz)の数倍に設定されるので、サンプリング部は高速で動作する。このため、簡易かつ低消費電力のハードウェアの構成によって、到来方向推定装置を実現することができる。   When synchronization between the pulse signals (d1, d2,...) And the sampling timing is established in the packet preamble period (T1 (see FIG. 6)), once in the data period (T2 (see FIG. 6)). Established synchronization is maintained. As shown in FIG. 4, the sampling frequency is set not to the frequency of the carrier wave of the pulse signal (eg, 4 GHz) but to a multiple of the pulse repetition frequency (eg, 32 MHz) of the pulse signal. Works at high speed. Therefore, the arrival direction estimation device can be realized with a simple and low-power-consumption hardware configuration.

図5は、本発明の第1の実施形態のプリアンブル期間中のサンプリングの例を示す説明図である。   FIG. 5 is an explanatory diagram illustrating an example of sampling during the preamble period according to the first embodiment of this invention.

パルス信号(d1、d2)の尖頭値が現れるタイミングとサンプリングタイミングとが一致していないので、同期が確立されていない。プリアンブル期間(T1)において、同期が確立されるまでは、サンプリング部403は、ベースバンド信号(x1、x2)を検出することができないので、雑音を出力する。   Since the timing at which the peak values of the pulse signals (d1, d2) appear does not coincide with the sampling timing, synchronization is not established. Until the synchronization is established in the preamble period (T1), the sampling unit 403 cannot detect the baseband signals (x1, x2) and outputs noise.

次に、図2のS504において、相関部404は、サンプリング部403から入力されたベースバンド信号(x1、x2、・・・)について、逆拡散の処理を実行することによって、相関データを取得し、取得した相関データを第1到来波検出部405に出力する。   Next, in S504 of FIG. 2, the correlation unit 404 acquires correlation data by performing despreading processing on the baseband signals (x1, x2,...) Input from the sampling unit 403. The acquired correlation data is output to the first incoming wave detection unit 405.

S505において、第1到来波検出部405は、相関部404から入力された相関データの電力値を計算し、計算された電力値に基づいて、受信信号が検出されたか否かを判定する。S505において、受信信号が検出されていないと判定された場合、S504の処理に戻る。この場合、タイミング制御部410は、サンプリングタイミングを所定の量だけシフトする。タイミング生成部413は、シフトされたサンプリングタイミングをサンプリング部403に出力する。サンプリング部403は、新たなサンプリングタイミングに基づいてサンプリングをする。また、相関部404は、新たなサンプリングタイミングに基づいて出力された信号について、相関を計算する。   In S505, the first incoming wave detection unit 405 calculates the power value of the correlation data input from the correlation unit 404, and determines whether a received signal has been detected based on the calculated power value. If it is determined in S505 that no received signal has been detected, the process returns to S504. In this case, the timing control unit 410 shifts the sampling timing by a predetermined amount. The timing generation unit 413 outputs the shifted sampling timing to the sampling unit 403. The sampling unit 403 performs sampling based on a new sampling timing. Further, the correlation unit 404 calculates a correlation for the signal output based on the new sampling timing.

一方、S505において、受信信号が検出されたと判定された場合、第1到来波検出部405は、第1到来波を検出する(S506)。次に、S507において、第1到来波検出部405は、第1到来波を基準として取得したサンプリングタイミングをタイミング制御部410に出力する。タイミング制御部410は、入力されたサンプリングタイミングに基づいて、タイミング制御信号を生成し、タイミング生成部413を制御する。   On the other hand, when it is determined in S505 that the received signal has been detected, the first incoming wave detection unit 405 detects the first incoming wave (S506). Next, in S507, the first incoming wave detection unit 405 outputs the sampling timing acquired with reference to the first incoming wave to the timing control unit 410. The timing control unit 410 generates a timing control signal based on the input sampling timing, and controls the timing generation unit 413.

なお、相関部404及び第1到来波検出部405の構成及び処理の詳細については図7を用いて後述する。   Details of the configuration and processing of the correlation unit 404 and the first incoming wave detection unit 405 will be described later with reference to FIG.

前述したS504からS507によって、プリアンブル期間中に、第1到来波を基準として、サンプリング部403のサンプリングタイミングとパルス信号(d1、d2)の尖頭値との同期が確立される。なお、同期が確立した後は、同期追跡部407及びタイミング制御部410によって、同期が維持される。   Through S504 to S507 described above, synchronization between the sampling timing of the sampling unit 403 and the peak value of the pulse signals (d1, d2) is established during the preamble period with the first incoming wave as a reference. Note that after synchronization is established, synchronization is maintained by the synchronization tracking unit 407 and the timing control unit 410.

以下に、サンプリング部403がプリアンブル期間中に同期を確立し、ベースバンド信号を検出する処理ついて説明する。   Hereinafter, a process in which the sampling unit 403 establishes synchronization during the preamble period and detects a baseband signal will be described.

図6は、本発明の第1の実施形態の到来方向推定装置のサンプリング部403の処理によって出力される信号の波形を示す説明図である。   FIG. 6 is an explanatory diagram illustrating a waveform of a signal output by the processing of the sampling unit 403 of the arrival direction estimation device according to the first embodiment of this invention.

x1、x2は、到来方向推定装置が一つのパケット600を受信した場合、サンプリング部403が出力するベースバンド信号の尖頭値の包絡線である。パケット600は、プリアンブル部601、SFD部602及びデータ部603を含む。データ部603には、情報が格納される。プリアンブル期間(例えば、T1)において、図2に示したS504からS507の同期の処理が実行され、パルス信号(d1、d2)とサンプリングタイミングとの同期が確立される。また、データ期間(例えば、T2)においては、同期が確立されているため、ベースバンド信号(x1、x2)が検出されている。   x1 and x2 are the envelopes of the peak values of the baseband signal output from the sampling unit 403 when the arrival direction estimation apparatus receives one packet 600. The packet 600 includes a preamble part 601, an SFD part 602, and a data part 603. Information is stored in the data portion 603. In the preamble period (for example, T1), the synchronization processing from S504 to S507 shown in FIG. 2 is executed, and synchronization between the pulse signals (d1, d2) and the sampling timing is established. Further, since the synchronization is established in the data period (for example, T2), the baseband signals (x1, x2) are detected.

図2のS501において、第1到来波が検出され、第1到来波を基準として、同期が確立された後は、次に、S502において、相関部404は、サンプリング部403から入力されたベースバンド信号(x1、x2)の相関データをダウンサンプリング部406に出力する。ダウンサンプリング部406は、相関データを到来方向推定部411に出力する。   After the first incoming wave is detected in S501 of FIG. 2 and synchronization is established with reference to the first incoming wave, the correlation unit 404 then receives the baseband input from the sampling unit 403 in S502. The correlation data of the signals (x1, x2) is output to the downsampling unit 406. The downsampling unit 406 outputs the correlation data to the arrival direction estimation unit 411.

S503において、到来方向推定部411は、ダウンサンプリング部406から入力された各アンテナ401に対応する相関データのI成分及びQ成分に基づいて、各アンテナ401で受信された各パルス信号の位相差を検出する。さらに、到来方向推定部411は、検出された位相差に基づいて、受信したパルス信号の到来方向を計算する。この場合、データ期間中に取得された相関データのすべて又は一部を利用することによって、雑音に対する信号の劣化を低減することができる。例えば、すべての相関データの平均値を求めることによって、到来方向推定の精度を向上させることができる。   In S503, the arrival direction estimation unit 411 calculates the phase difference of each pulse signal received by each antenna 401 based on the I component and Q component of the correlation data corresponding to each antenna 401 input from the downsampling unit 406. To detect. Furthermore, the arrival direction estimation unit 411 calculates the arrival direction of the received pulse signal based on the detected phase difference. In this case, signal degradation due to noise can be reduced by using all or part of the correlation data acquired during the data period. For example, the accuracy of direction-of-arrival estimation can be improved by obtaining the average value of all correlation data.

パルス信号の到来方向を求めるアルゴリズムには様々なアルゴリズムがある。ここでは、最も簡単な下記の関係式に基づくアルゴリズムによって到来方向を推定する。すなわち、到来方向θ、各アンテナ間の距離L、搬送波の波長λを用いると、位相差αは下記の式で表現される。   There are various algorithms for obtaining the arrival direction of the pulse signal. Here, the arrival direction is estimated by the simplest algorithm based on the following relational expression. That is, using the arrival direction θ, the distance L between the antennas, and the wavelength λ of the carrier wave, the phase difference α is expressed by the following equation.

α=2π×L×sinθ/λ
よって、到来方向θは、位相差αから推定することができる。また、このほかに、ビームフォーマ法、Capon法、線形予測法、最小ノルム法、MUSIC(MUltiple Signal Classification)法、ESPRIT法等の様々な方法がある。本実施形態では、これらのどの方法を適用してもよい。また、到来方向推定部411は、LSI、FPGA等の論理回路によって構成されてもよい。
α = 2π × L × sin θ / λ
Therefore, the arrival direction θ can be estimated from the phase difference α. In addition, there are various methods such as a beamformer method, a Capon method, a linear prediction method, a minimum norm method, a MUSIC (Multiple Signal Classification) method, and an ESPRIT method. In the present embodiment, any of these methods may be applied. Further, the arrival direction estimation unit 411 may be configured by a logic circuit such as an LSI or an FPGA.

また、到来時刻推定部409は、タイミング制御信号及び復調部408から入力されたデータを用いて、パケットの受信時刻を計算する。これによって、到来方向推定装置は、到来方向及び到来時間を推定することができる。到来方向及び到来時間は、パルス信号を送信した端末(ノード)の位置情報を取得するために利用される。   The arrival time estimation unit 409 calculates the packet reception time using the timing control signal and the data input from the demodulation unit 408. Thereby, the arrival direction estimation device can estimate the arrival direction and the arrival time. The arrival direction and arrival time are used to acquire position information of a terminal (node) that has transmitted a pulse signal.

図7は、本発明の第1の実施形態の相関部及び第1到来波検出部の構成の例を示す説明図である。   FIG. 7 is an explanatory diagram illustrating an example of the configuration of the correlation unit and the first incoming wave detection unit according to the first embodiment of this invention.

相関部404は、送信側で用いられた拡散符号に対応したマッチトフィルタ(MF)1001を備える。第1到来波検出部405は、電力算出部(Pow)1003、同相加算部(In−phase addition)1004、合算部(Σ)1005、サーチ部(Search)1006を備える。   The correlation unit 404 includes a matched filter (MF) 1001 corresponding to the spreading code used on the transmission side. The first incoming wave detection unit 405 includes a power calculation unit (Pow) 1003, an in-phase addition unit (In-phase addition) 1004, a summation unit (Σ) 1005, and a search unit (Search) 1006.

マッチトフィルタ1001は、サンプリング部403から入力された各信号について、送信側で用いられた拡散符号を用いて、符号の相関を計算することによって、相関データを生成し、生成された相関データを第1到来波検出部405の電力算出部1003、及びダウンサンプリング部406に出力する。   The matched filter 1001 generates correlation data for each signal input from the sampling unit 403 by calculating the correlation of the code using the spreading code used on the transmission side, and generates the generated correlation data. The data is output to the power calculation unit 1003 and the downsampling unit 406 of the first incoming wave detection unit 405.

電力算出部1003は、マッチトフィルタ1001から入力された相関データのI成分及びQ成分のそれぞれの電力値を計算する。同相加算部1004は、各マッチトフィルタ1001から入力されたマッチトフィルタの各位相の電力値を積算する。この積算によって、雑音が大きい場合(信号対雑音電力比が低い場合)であっても、信号を検出することができる。   The power calculation unit 1003 calculates the power values of the I component and Q component of the correlation data input from the matched filter 1001. The in-phase addition unit 1004 integrates the power value of each phase of the matched filter input from each matched filter 1001. By this integration, the signal can be detected even when the noise is large (when the signal-to-noise power ratio is low).

合算部1005は、各同相加算部1004によって積算された電力値を合算し、合算された電力値をサーチ部1006に出力する。サーチ部1006は、合算された電力値が所定の閾値を超えるか否かを判定する。所定の閾値を超えると判定された場合、第1到来波を検出する。   The summation unit 1005 sums the power values integrated by the in-phase addition units 1004 and outputs the summed power values to the search unit 1006. Search unit 1006 determines whether or not the summed power value exceeds a predetermined threshold value. When it is determined that the predetermined threshold value is exceeded, the first incoming wave is detected.

また、サーチ部1006は、第1到来波を検出したサンプリングタイミングを取得し、取得したサンプリングタイミングに基づいてタイミング制御信号を生成し、生成されたタイミング信号を同期追跡部407、タイミング制御部410等に出力する。さらに、サーチ部1006は、マッチトフィルタ出力の出力タイミング(逆拡散タイミング)を取得し、取得した逆拡散タイミングに基づいて、逆拡散タイミング制御信号を生成し、生成された逆拡散タイミング信号をダウンサンプリング部406に出力する。   Further, the search unit 1006 acquires the sampling timing at which the first incoming wave is detected, generates a timing control signal based on the acquired sampling timing, and uses the generated timing signal as the synchronization tracking unit 407, the timing control unit 410, and the like. Output to. Further, the search unit 1006 acquires the output timing (despreading timing) of the matched filter output, generates a despreading timing control signal based on the acquired despreading timing, and reduces the generated despreading timing signal. The data is output to the sampling unit 406.

タイミング制御部410は、第1到来波をサーチした結果(第1到来波を検出したサンプリングタイミング)に基づいて、タイミング生成部413を制御する。サンプリング部403のサンプリングタイミングは、タイミング生成部413によって生成されたタイミングに基づく。   The timing control unit 410 controls the timing generation unit 413 based on the search result of the first incoming wave (sampling timing at which the first incoming wave is detected). The sampling timing of the sampling unit 403 is based on the timing generated by the timing generation unit 413.

なお、サーチ部1006は、タイミング制御部410及びタイミング生成部413によって、サンプリングタイミングを少しずつシフトさせながら、相関データの電力値を監視する。これによって、サーチ部1006は、第1到来波を検出することができる。   Note that the search unit 1006 monitors the power value of the correlation data while the sampling control unit 410 and the timing generation unit 413 gradually shift the sampling timing. Thereby, the search unit 1006 can detect the first incoming wave.

図8Aは、本発明の第1の実施形態のサンプリング部の構成の例を示す説明図である。   FIG. 8A is an explanatory diagram illustrating an example of the configuration of the sampling unit according to the first embodiment of this invention.

第1の実施形態のサンプリング部403は、例えば、アナログディジタル変換器(ADC)1101を備える。ADC1101は、広帯域なアナログ入力帯域を持ち、低速なクロックで動作する。ADC1101は、サンプルアンドホールド回路を含んでもよい。アナログ入力帯域は、例えば、500MHz〜4GHzである。また、アナログデータをディジタルデータに変換する場合の動作クロック周波数は、数MHz〜数十MHzである。   The sampling unit 403 of the first embodiment includes, for example, an analog / digital converter (ADC) 1101. The ADC 1101 has a wide analog input band and operates with a low-speed clock. The ADC 1101 may include a sample and hold circuit. The analog input band is, for example, 500 MHz to 4 GHz. The operation clock frequency when converting analog data to digital data is several MHz to several tens of MHz.

ADC1101は、タイミング生成部413から入力されたサンプリングタイミングに基づいて、直交周波数変換部402から入力されたパルス信号(x1、x2、・・・)をサンプリングする。   The ADC 1101 samples the pulse signal (x1, x2,...) Input from the orthogonal frequency conversion unit 402 based on the sampling timing input from the timing generation unit 413.

図8Bは、本発明の第1の実施形態のサンプリングの処理の例を示す説明図である。   FIG. 8B is an explanatory diagram illustrating an example of sampling processing according to the first embodiment of this invention.

サンプリング部403によって、直交周波数変換部402から入力されたパルス信号(x1、x2、・・・)の尖頭値がサンプリングされる。   The peak value of the pulse signal (x1, x2,...) Input from the orthogonal frequency converter 402 is sampled by the sampling unit 403.

図9Aは、本発明の第1の実施形態のサンプリング部の構成の別の例を示す説明図である。   FIG. 9A is an explanatory diagram illustrating another example of the configuration of the sampling unit according to the first embodiment of this invention.

また、別の例では、第1の実施形態のサンプリング部403は、高速に動作するアナログディジタル変換器(ADC)1202、間引き部(Decimation)1203及びクロック1204を備える。ADC1202は、一旦高速なクロック1204によってアナログディジタル変換を実行する。間引き部1203は、タイミング生成部413から入力されたサンプリングタイミングに基づいて、ディジタルデータに変換されたデータから所望のデータのみを選択する。   In another example, the sampling unit 403 of the first embodiment includes an analog-to-digital converter (ADC) 1202 that operates at high speed, a decimation unit 1203, and a clock 1204. The ADC 1202 performs analog-digital conversion once using the high-speed clock 1204. The thinning unit 1203 selects only desired data from the data converted into digital data based on the sampling timing input from the timing generation unit 413.

図9B、図9Cは、本発明の第1の実施形態のサンプリングの処理の別の例を示す説明図である。   9B and 9C are explanatory diagrams illustrating another example of the sampling processing according to the first embodiment of this invention.

図9Aに示した間引き部1203は、ディジタルデータに変換されたデータから任意にデータを選択することができる。例えば、図9Bでは、ディジタルデータに変換されたデータからパルス波形の尖頭値のデータのみが選択されている。図9Cでは、パルス波形の尖頭値を中心として複数のデータが選択されている。選択された複数の点を同期の処理に利用することによって、復調性能、及び同期追跡の精度を向上させることができる。   The thinning unit 1203 shown in FIG. 9A can arbitrarily select data from the data converted into digital data. For example, in FIG. 9B, only the peak value data of the pulse waveform is selected from the data converted into digital data. In FIG. 9C, a plurality of data is selected around the peak value of the pulse waveform. By using a plurality of selected points for synchronization processing, demodulation performance and synchronization tracking accuracy can be improved.

以上説明したように、第1の実施形態によると、簡易なハードウェア構成によって、マルチパス環境における第1到来波の到来方向を推定することができる。さらに、3.0ナノ秒以下のパルス幅を用いるウルトラワイドバンド信号を利用するので、第1到来波(直接波)とその他のマルチパス波(反射波)とを分離することが容易である。このため、マルチパスによる到来方向推定の精度が低下しにくいので、高い精度で到来方向を推定することができる。   As described above, according to the first embodiment, the arrival direction of the first incoming wave in the multipath environment can be estimated with a simple hardware configuration. Furthermore, since an ultra-wide band signal using a pulse width of 3.0 nanoseconds or less is used, it is easy to separate the first incoming wave (direct wave) from other multipath waves (reflected wave). For this reason, since the accuracy of direction-of-arrival estimation by multipath is unlikely to decrease, the direction of arrival can be estimated with high accuracy.

[実施形態2]
図10は、本発明の第2の実施形態の到来方向推定装置の構成を示すブロック図である。
[Embodiment 2]
FIG. 10 is a block diagram showing the configuration of the arrival direction estimation apparatus according to the second embodiment of the present invention.

第2の実施形態の到来方向推定装置は、複数のアンテナ401のそれぞれに対応する2系統のサンプリング部403A、403B、相関部404A、404B、ダウンサンプリング部406A、406B、及びタイミング生成部413A、413Bを備える点で、図1に示した第1の実施形態の到来方向推定装置の構成と異なる。また、ピーク波・第1到来波検出部(Peak/First path synchronization)1301を備える点で異なる。その他の処理部は、図1に示した同名の処理部と同じである。   The arrival direction estimation apparatus of the second embodiment includes two systems of sampling units 403A and 403B, correlation units 404A and 404B, downsampling units 406A and 406B, and timing generation units 413A and 413B corresponding to each of a plurality of antennas 401. Is different from the configuration of the arrival direction estimation apparatus of the first embodiment shown in FIG. Moreover, it differs in that a peak wave / first incoming wave detection unit (Peak / First path synchronization) 1301 is provided. The other processing units are the same as the processing units having the same names shown in FIG.

ピーク波・第1到来波検出部1301は、プリアンブル期間において、第1到来波及びその他のマルチパス到来波(好適にはピーク波)を検出し、第1到来波を基準とするサンプリングタイミング、及び、ピーク波を基準とするサンプリングタイミングを取得する。   The peak wave / first arrival wave detection unit 1301 detects the first arrival wave and other multipath arrival waves (preferably peak waves) in the preamble period, and the sampling timing based on the first arrival wave, and The sampling timing with reference to the peak wave is acquired.

そして、例えば、タイミング生成部413Aは、第1到来波を基準としたサンプリングタイミングを基準としたサンプリングタイミングをサンプリング部403Aに出力する。また、例えば、タイミング生成部413Bは、ピーク波を基準としたサンプリングタイミングをサンプリング部403Bに出力する。   For example, the timing generation unit 413A outputs the sampling timing based on the sampling timing based on the first incoming wave to the sampling unit 403A. For example, the timing generation unit 413B outputs the sampling timing with the peak wave as a reference to the sampling unit 403B.

サンプリング部403A、403Bは、タイミング生成部413A、413Bから入力されたそれぞれのサンプリングタイミングに基づいて、ベースバンド信号を取得し、取得したベースバンド信号を相関部404A、404Bに出力する。相関部404A、404Bは、各々、サンプリング部403A、403Bから入力されたベースバンド信号の相関を計算することによって、相関データを生成し、生成された相関データをピーク波・第1到来波検出部1301、及びダウンサンプリング部406A、406Bに出力する。   Sampling units 403A and 403B acquire baseband signals based on the respective sampling timings input from timing generation units 413A and 413B, and output the acquired baseband signals to correlation units 404A and 404B. The correlation units 404A and 404B generate correlation data by calculating the correlation of the baseband signals input from the sampling units 403A and 403B, respectively, and the generated correlation data is used as a peak wave / first arrival wave detection unit. 1301 and downsampling units 406A and 406B.

また、例えば、ダウンサンプリング部406Aは、逆拡散タイミングによってサンプリングされた相関データを、同期追跡部407及び到来方向推定部411に出力する。なお、ダウンサンプリング部406Aは、相関データを復調部408に出力してもよい。また、例えば、ダウンサンプリング部406Bは、逆拡散タイミングによってサンプリングされた相関データを、復調部408に出力する。なお、ダウンサンプリング部406Bは、相関データを到来方向推定部411に出力してもよい。   For example, the downsampling unit 406A outputs the correlation data sampled at the despreading timing to the synchronization tracking unit 407 and the arrival direction estimation unit 411. Note that the downsampling unit 406A may output the correlation data to the demodulation unit 408. For example, the downsampling unit 406B outputs the correlation data sampled at the despreading timing to the demodulation unit 408. Note that the downsampling unit 406B may output the correlation data to the arrival direction estimation unit 411.

これによって、例えば、到来方向推定部411は、第1到来波を基準として取得されたサンプリングタイミングに同期する信号に基づいて、到来方向を高精度に推定する。一方、復調部408は、最も受信信号電力の高いピーク波(又は、第1到来波とピーク波との合成波)を基準として取得されたサンプリングタイミングに同期する信号を復調する。このため、復調性能を向上させることができる。   Accordingly, for example, the arrival direction estimation unit 411 estimates the arrival direction with high accuracy based on the signal synchronized with the sampling timing acquired with the first arrival wave as a reference. On the other hand, the demodulator 408 demodulates a signal synchronized with the sampling timing acquired with reference to a peak wave having the highest received signal power (or a synthesized wave of the first incoming wave and the peak wave). For this reason, demodulation performance can be improved.

以上説明したように、第2の実施形態によると、第1の実施形態の効果に加えて、最も受信信号電力の高いピーク波を基準としたサンプリングタイミングに基づいてパルス信号を復調するので、復調性能を向上させることができる。さらに、ピーク波の到来方向を推定することも可能であるので、パルス信号を送信した端末の位置に関する情報をより多く得ることができる。   As described above, according to the second embodiment, in addition to the effects of the first embodiment, the pulse signal is demodulated based on the sampling timing based on the peak wave having the highest received signal power. Performance can be improved. Furthermore, since the arrival direction of the peak wave can be estimated, more information on the position of the terminal that transmitted the pulse signal can be obtained.

[実施形態3]
図11は、本発明の第3の実施形態の到来方向推定装置の構成を示すブロック図である。
[Embodiment 3]
FIG. 11 is a block diagram showing the configuration of the arrival direction estimation apparatus according to the third embodiment of the present invention.

第3の実施形態の到来方向推定装置は、複数のアンテナ401に対して一つの直交周波数変換部(Down conversion)402、一つのサンプリング部403、一つの相関部(Correlation)404を備え、さらに、アンテナ制御部(Antenna control)1402及びセレクター(Selector)1401を備える点で、図1に示した第1の実施形態の到来方向推定装置の構成と異なる。   The arrival direction estimation apparatus of the third embodiment includes one orthogonal frequency conversion unit (Down conversion) 402, one sampling unit 403, and one correlation unit (Correlation) 404 for a plurality of antennas 401, and It differs from the structure of the arrival direction estimation apparatus of 1st Embodiment shown in FIG. 1 by the point provided with the antenna control part (Antenna control) 1402 and the selector (Selector) 1401.

セレクター1401は、複数のアンテナ401から入力された一つの受信パルス信号を選択し、選択された受信パルス信号を直交周波数変換部402に出力する。アンテナ制御部1402は、制御信号をセレクター1401に出力することによって、セレクター1401を制御する。その他の処理部は、図1に示した同名の処理部と同じである。   The selector 1401 selects one reception pulse signal input from the plurality of antennas 401, and outputs the selected reception pulse signal to the orthogonal frequency conversion unit 402. The antenna control unit 1402 controls the selector 1401 by outputting a control signal to the selector 1401. The other processing units are the same as the processing units having the same names shown in FIG.

図12は、本発明の第3の実施形態の到来方向推定装置の処理の例を示す説明図である。   FIG. 12 is an explanatory diagram illustrating an example of processing of the arrival direction estimation device according to the third embodiment of this invention.

図12では、受信パケット600、選択されるアンテナ1200、及び取得したベースバンド信号のI成分、Q成分が示されている。   In FIG. 12, received packet 600, selected antenna 1200, and I component and Q component of the acquired baseband signal are shown.

パケットを受信する場合、本実施形態のセレクター1401は、アンテナ制御部1402から入力された制御信号に基づいて、アンテナ401を切り替える。   When receiving a packet, the selector 1401 of this embodiment switches the antenna 401 based on the control signal input from the antenna control unit 1402.

まず、セレクター1401は、ある一つのアンテナ401(Ant1)を選択し、選択されたAnt1がパルス信号を受信するのを待ち受ける。サンプリング部403は、プリアンブル期間中において、第1の実施形態で説明したとおり、パルス信号とサンプリングタイミングとの同期を確立する。到来方向推定部415は、Ant1が受信したパルス信号のI成分、Q成分1211を取得する。   First, the selector 1401 selects one antenna 401 (Ant1), and waits for the selected Ant1 to receive a pulse signal. As described in the first embodiment, the sampling unit 403 establishes synchronization between the pulse signal and the sampling timing during the preamble period. The arrival direction estimation unit 415 acquires the I component and Q component 1211 of the pulse signal received by Ant1.

同期が確立された後、データ期間中において、セレクター1401は、別のアンテナ401(Ant2)に切り替える。到来方向推定部415は、Ant2が受信したパルス信号のI成分、Q成分1212を取得する。同様にして、到来方向推定部415は、Ant3が受信したパルス信号のI成分、Q成分1213を取得する。一つのパケットを受信した後、到来方向推定部415は、各アンテナ401が受信したパルス信号に対応する相関部404の出力(相関データ)を取得する。そして、到来方向推定部415は、各アンテナ401が受信した各パルス信号1211、1212、1213の位相差に基づいて、パルス信号の到来方向を推定する。   After the synchronization is established, the selector 1401 switches to another antenna 401 (Ant2) during the data period. The arrival direction estimation unit 415 acquires the I component and Q component 1212 of the pulse signal received by Ant2. Similarly, the arrival direction estimation unit 415 acquires the I component and Q component 1213 of the pulse signal received by Ant3. After receiving one packet, the arrival direction estimation unit 415 acquires the output (correlation data) of the correlation unit 404 corresponding to the pulse signal received by each antenna 401. Then, the arrival direction estimation unit 415 estimates the arrival direction of the pulse signal based on the phase difference between the pulse signals 1211, 1212, and 1213 received by each antenna 401.

以上説明したように、第3の実施形態によると、高周波帯域で動作する直交周波数変換部、サンプリング部及び相関部を複数備える必要がないので、高い精度で到来方向を推定することできる受信機を簡易かつ低消費電力のハードウェアの構成によって実現することできる。   As described above, according to the third embodiment, since it is not necessary to provide a plurality of orthogonal frequency conversion units, sampling units, and correlation units operating in a high frequency band, a receiver capable of estimating the arrival direction with high accuracy is provided. This can be realized by a simple and low power consumption hardware configuration.

[実施形態4]
図13は、本発明の第4の実施形態の到来方向推定装置の構成を示すブロック図である。
[Embodiment 4]
FIG. 13: is a block diagram which shows the structure of the arrival direction estimation apparatus of the 4th Embodiment of this invention.

第4の実施形態の到来方向推定装置は、各アンテナ毎の受信機内部の受信パスの経路長又は回路のばらつきによって生じる誤差をキャリブレーションする。第4の実施形態の到来方向推定装置は、スイッチ1601、減衰器(Att)1602及び位相差検出器(Phase−diff Detector)1603を備える。   The arrival direction estimation apparatus of the fourth embodiment calibrates an error caused by a path length of a reception path inside the receiver or a circuit variation for each antenna. The arrival direction estimation apparatus of the fourth embodiment includes a switch 1601, an attenuator (Att) 1602, and a phase difference detector (Phase-diff Detector) 1603.

スイッチ1601は、各アンテナ401の後段に備えられ、減衰器1602から入力された信号を直交周波数変換部402に出力するか、又は、アンテナ401から入力された信号を直交周波数変換部402に出力するかを選択する。   The switch 1601 is provided in the subsequent stage of each antenna 401 and outputs a signal input from the attenuator 1602 to the orthogonal frequency conversion unit 402 or outputs a signal input from the antenna 401 to the orthogonal frequency conversion unit 402. Select.

減衰器1602は、直交周波数変換部402、及び直交周波数変換部402の後段の回路が飽和しないように、ローカル発信器から入力された信号を適切に減衰し、減衰された信号をスイッチ1601に出力する。   The attenuator 1602 appropriately attenuates the signal input from the local oscillator and outputs the attenuated signal to the switch 1601 so that the orthogonal frequency conversion unit 402 and the subsequent circuit of the orthogonal frequency conversion unit 402 are not saturated. To do.

また、位相差検出部1603は、各アンテナ401が受信したパルス信号に対応する相関部404の出力(相関データ)に基づいて、各アンテナ401に対応する処理部の受信パスの位相差を検出する。なお、到来方向推定部411が、位相差検出部1603の処理を実行してもよい。   The phase difference detection unit 1603 detects the phase difference of the reception path of the processing unit corresponding to each antenna 401 based on the output (correlation data) of the correlation unit 404 corresponding to the pulse signal received by each antenna 401. . Note that the arrival direction estimation unit 411 may execute the processing of the phase difference detection unit 1603.

受信の処理を開始する前にスイッチ1601を減衰器1602の出力側に接続すると、位相差検出部1603は、各アンテナ401に対応する受信パスの位相差を検出し、検出した受信パスの位相差を記憶領域に格納する。その後、スイッチ1601を減衰器1602の出力側に接続する。   When the switch 1601 is connected to the output side of the attenuator 1602 before starting the reception process, the phase difference detection unit 1603 detects the phase difference of the reception path corresponding to each antenna 401 and detects the phase difference of the detected reception path. Is stored in the storage area. Thereafter, the switch 1601 is connected to the output side of the attenuator 1602.

以上説明したとおり、第4の実施形態によると、到来方向推定部411は、到来方向を推定する場合、受信パスの位相差を計算することによって、各受信パスの経路長及び回路のばらつきによって生じる誤差を補正することができる。これによって、より高精度な到来方向推定が可能となる。   As described above, according to the fourth embodiment, when estimating the arrival direction, the arrival direction estimation unit 411 calculates the reception path phase difference, which is caused by the path length of each reception path and circuit variations. The error can be corrected. This makes it possible to estimate the direction of arrival with higher accuracy.

[実施形態5]
図14は、本発明の第5の実施形態の到来方向推定装置の構成を示すブロック図である。
[Embodiment 5]
FIG. 14 is a block diagram showing the configuration of the arrival direction estimation apparatus according to the fifth embodiment of the present invention.

第5の実施形態の到来方向推定装置は、第1の実施形態に送信機能を加えた構成である。第5の実施形態の到来方向推定装置は、送信アンテナ1701、増幅部(Amplifier)1702、パルス整形部(Pulse shape)1703及びフレーム部(Frame)1704を備える。   The arrival direction estimation device of the fifth embodiment has a configuration in which a transmission function is added to the first embodiment. The arrival direction estimation apparatus according to the fifth embodiment includes a transmission antenna 1701, an amplifier 1702, a pulse shaper 1703, and a frame 1704.

フレーム部1704は、制御部414から送信された伝送データを処理し、ベースバンド信号をパルス整形部1703に出力する。パルス整形部1703は、フレーム部1704から入力されたベースバンド信号を送信周波数帯域のパルス信号に変換し、変換されたパルス信号を増幅部1702に出力する。増幅部1702は、パルス信号を増幅し、増幅されたパルス信号を送信アンテナ1701に出力する。送信アンテナ1701は、パルス信号を端末(ノード)に送信する。なお、アンテナ401は、別にスイッチを備えることによって、送信アンテナ1701の機能を備えてもよい。   The frame unit 1704 processes the transmission data transmitted from the control unit 414 and outputs a baseband signal to the pulse shaping unit 1703. The pulse shaping unit 1703 converts the baseband signal input from the frame unit 1704 into a transmission frequency band pulse signal, and outputs the converted pulse signal to the amplification unit 1702. The amplifying unit 1702 amplifies the pulse signal and outputs the amplified pulse signal to the transmission antenna 1701. The transmission antenna 1701 transmits a pulse signal to a terminal (node). Note that the antenna 401 may have a function of the transmission antenna 1701 by separately providing a switch.

第5の実施形態によると、到来時刻推定部409は、パルス信号を端末に送信する時刻と、端末から送信されたパルス信号を受信する時刻との差を計測することによって、送受信機と端末(ノード)と間のパルス信号の往復時間を計測することができる。よって、送受信機と端末(ノード)との間の距離を測定する測距機能が実現される。   According to the fifth embodiment, the arrival time estimation unit 409 measures the difference between the time when the pulse signal is transmitted to the terminal and the time when the pulse signal transmitted from the terminal is received, so that the transceiver and the terminal ( It is possible to measure the round trip time of the pulse signal with the node. Therefore, a distance measuring function for measuring the distance between the transceiver and the terminal (node) is realized.

以上、第1の実施形態から第5の実施形態について説明した。本発明の適用範囲は、それぞれの実施形態に限定されるものではない。例えば、複数の実施形態を組み合わせることもできる。   The first to fifth embodiments have been described above. The scope of application of the present invention is not limited to each embodiment. For example, a plurality of embodiments can be combined.

以下に、各実施形態の到来方向推定装置を測位システムに適用した例について説明する。   Below, the example which applied the arrival direction estimation apparatus of each embodiment to the positioning system is demonstrated.

[システム1]
図15は、本発明による到来方向推定装置を適用した測位システムの第1の例を示す説明図である。
[System 1]
FIG. 15 is an explanatory diagram showing a first example of a positioning system to which the arrival direction estimation device according to the present invention is applied.

本測位システムは、サーバ(Server)1801、基地局(Base station)1804及びノード(Node)1807を備える。基地局1804は、制御部1802及び送受信装置1803を備える。また、ノード1807は、送受信装置1805及び制御部1806を備える。例えば、送受信装置1803は、第5の実施形態の到来方向推定装置を適用することができる。   This positioning system includes a server 1801, a base station 1804, and a node 1807. The base station 1804 includes a control unit 1802 and a transmission / reception device 1803. The node 1807 includes a transmission / reception device 1805 and a control unit 1806. For example, the transmission / reception device 1803 can apply the arrival direction estimation device of the fifth embodiment.

基地局1804は、パルス信号を送信する。ノード1807は、基地局1804から送信されたパルス信号を受信し、受信したパルス信号を基地局1804に送信する。基地局1804は、ノード1807から送信されたパルス信号を受信し、パルス信号の往復時間及び到来方向を推定する。サーバ1801は、パルス信号の往復時間に基づいて、基地局1804とノード1807との間の距離rを計算する。また、サーバ1801は、距離r及び到来方向θに基づいて、基地局1804を基準としたノード1807の位置を計算する。   The base station 1804 transmits a pulse signal. The node 1807 receives the pulse signal transmitted from the base station 1804 and transmits the received pulse signal to the base station 1804. The base station 1804 receives the pulse signal transmitted from the node 1807 and estimates the round trip time and arrival direction of the pulse signal. The server 1801 calculates a distance r between the base station 1804 and the node 1807 based on the round trip time of the pulse signal. Further, the server 1801 calculates the position of the node 1807 with reference to the base station 1804 based on the distance r and the arrival direction θ.

[システム2]
図16は、本発明による到来方向推定装置を利用した測位システムの第2の例を示す説明図である。
[System 2]
FIG. 16 is an explanatory diagram showing a second example of a positioning system using the arrival direction estimation device according to the present invention.

本測位システムは、サーバ(Server)1901、二つの基地局(Base station)1902、1903、及びノード(Node)1904を備える。基地局1902、1903は、本発明のいずれかの実施形態の到来方向推定装置を備え、ネットワーク等を介して、サーバ1901に接続する。ノード1904は、送信装置を備える。基地局1902と1903とは同じ構成である。   This positioning system includes a server 1901, two base stations 1902 and 1903, and a node 1904. The base stations 1902 and 1903 include the arrival direction estimation apparatus according to any one of the embodiments of the present invention, and are connected to the server 1901 via a network or the like. The node 1904 includes a transmission device. Base stations 1902 and 1903 have the same configuration.

ノード1904は、パルス信号を送信する。基地局1902、1903は、それぞれ、ノード1904から送信されたパルス信号を受信し、受信したパルス信号の到来方向を推定する。サーバ1901は、各基地局1902、1903によって推定された到来方向(AOA結果1、AOA結果2)に対応する直線が交わる点をノード1904の位置座標として推定する。   The node 1904 transmits a pulse signal. Each of the base stations 1902 and 1903 receives the pulse signal transmitted from the node 1904 and estimates the arrival direction of the received pulse signal. The server 1901 estimates, as the position coordinates of the node 1904, a point where straight lines corresponding to the arrival directions (AOA result 1 and AOA result 2) estimated by the base stations 1902 and 1903 intersect.

また、さらに、サーバ1901は、基地局1902、1903が取得したパルス信号の受信時刻を用いて、各パルス信号の受信時刻の差を計算し、計算された受信時刻の差に基づいて、距離差(TDOA結果)を計算する。サーバ1901は、計算されたTDOA結果を利用することによって、より高精度にノード1904の位置座標を計算することができる。   Further, the server 1901 calculates the difference between the reception times of the pulse signals using the reception times of the pulse signals acquired by the base stations 1902 and 1903, and based on the calculated difference between the reception times, the distance difference is calculated. Calculate (TDOA result). The server 1901 can calculate the position coordinates of the node 1904 with higher accuracy by using the calculated TDOA result.

[システム3]
図17は、本発明による到来方向推定装置を利用した測位システムの第3の例を示す説明図である。
[System 3]
FIG. 17 is an explanatory diagram showing a third example of a positioning system using the direction of arrival estimation apparatus according to the present invention.

本測位システムは、図16に示したシステム2において、さらに、基地局を追加したシステムである。すわなち、本測位システムは、サーバ(Server)2001、基地局1(Base station1)2002、基地局2(Base station2)2003、基地局3(Base station3)2004、及びノード(Node)2005を備える。基地局1(2002)、基地局2(2003)、基地局3(2004)は、本発明のいずれかの実施形態の到来方向推定装置を備える。また、ノード2005は、送信装置を含む。   This positioning system is a system in which a base station is further added to the system 2 shown in FIG. That is, the positioning system includes a server 2001, a base station 1 (Base station 1) 2002, a base station 2 (Base station 2) 2003, a base station 3 (Base station 3) 2004, and a node (Node) 2005. . The base station 1 (2002), the base station 2 (2003), and the base station 3 (2004) each include the arrival direction estimation device according to any embodiment of the present invention. The node 2005 includes a transmission device.

図16に示したシステム2の説明のとおり、サーバ2001は、基地局1(2002)、基地局2(2003)、基地局3(2004)によって取得された到来方向推定結果(AOA結果1、AOA結果2、AOA結果3)、及び各基地局の間の距離差(TDOA結果(1、2)、TDOA結果(1、3))に基づいて、ノード2005の位置座標を計算する。   As described in the system 2 shown in FIG. 16, the server 2001 performs arrival direction estimation results (AOA result 1, AOA acquired by the base station 1 (2002), the base station 2 (2003), and the base station 3 (2004). Based on the result 2, the AOA result 3), and the distance difference between each base station (TDOA results (1, 2), TDOA results (1, 3)), the position coordinates of the node 2005 are calculated.

本測位システムでは、位置を特定するために必要な最低限の情報より多い情報を利用することができるので、より高精度に位置座標を計算することができる。   In this positioning system, since more information than the minimum information necessary for specifying the position can be used, the position coordinates can be calculated with higher accuracy.

例えば、基地局1(2002)とノード2005との間に障害物2101がある場合、基地局1(2002)は、ノード2005からの直接波ではなく、反射物2102によって反射された反射波を受信する可能性がある。この場合、基地局1(2002)は、反射物2102がある方向をパルス信号の到来方向とするので、到来方向推定結果(AOA結果1)と、距離差推定結果(TDOA結果(1、2)、TDOA結果(1、3))と、の間には大きな誤差が生じる。   For example, when there is an obstacle 2101 between the base station 1 (2002) and the node 2005, the base station 1 (2002) receives a reflected wave reflected by the reflector 2102 instead of a direct wave from the node 2005. there's a possibility that. In this case, since the base station 1 (2002) sets the direction in which the reflector 2102 exists as the arrival direction of the pulse signal, the arrival direction estimation result (AOA result 1) and the distance difference estimation result (TDOA result (1, 2) , A large error occurs between the TDOA result (1, 3)).

そこで、本測位システムでは、障害物の影響を受けた推定結果(AOA結果1、TDOA結果(1、2)、TDOA結果(1、3))を位置座標の計算から除外する。これによって、位置座標の精度を向上させることができる。   Therefore, in this positioning system, estimation results (AOA result 1, TDOA result (1, 2), TDOA result (1, 3)) affected by the obstacle are excluded from the calculation of position coordinates. Thereby, the accuracy of the position coordinates can be improved.

具体的には、位置座標の計算からから誤差を含む推定結果を除外するため、誤差を含む推定結果に対応する基地局を抽出する。どの基地局が障害物の影響を受けたかを推定する方法には、様々なアルゴリズムが考えられる。例えば、すべての推定結果に基づいてノード2005の位置座標を計算し、計算された位置座標とそれぞれのAOA結果とを比較し、矛盾がある場合、障害物が存在したと仮定してもよい。   Specifically, in order to exclude an estimation result including an error from the calculation of position coordinates, a base station corresponding to the estimation result including an error is extracted. Various algorithms can be considered as a method of estimating which base station is affected by an obstacle. For example, the position coordinates of the node 2005 are calculated based on all estimation results, the calculated position coordinates are compared with the respective AOA results, and if there is a contradiction, it may be assumed that an obstacle exists.

また、別の方法としては、まず、すべての基地局から取得された推定結果に基づいて第1の位置座標を計算し、さらに、一つの基地局をそれぞれ除外して、他の二つの基地局から取得された推定結果に基づいて第2、第3、第4の位置座標を計算する。次に、計算された第1の位置座標と第2、第3、第4の位置座標とを比較して、第1の位置座標に対して最も誤差(移動量)が大きくなる位置座標を特定し、このとき除外していた基地局を、障害物の影響を受けた基地局と仮定してもよい。   As another method, first, the first position coordinates are calculated based on the estimation results obtained from all the base stations, and one base station is excluded from each other, and the other two base stations are calculated. 2nd, 3rd, 4th position coordinates are calculated based on the estimation result acquired from (1). Next, the calculated first position coordinate is compared with the second, third, and fourth position coordinates, and the position coordinate having the largest error (movement amount) relative to the first position coordinate is specified. The base station excluded at this time may be assumed to be a base station affected by an obstacle.

また、別の方法としては、AOA結果から得られた3つの直線と、TDOA結果から得られた3つの双曲線とのすべての組み合わせの交点を選び、選ばれた交点の平均点から最も遠い交点を推定位置から除外してもよい。   Another method is to select the intersections of all combinations of the three straight lines obtained from the AOA results and the three hyperbolas obtained from the TDOA results, and select the intersection farthest from the average of the selected intersections. You may exclude from an estimated position.

以上、システム1〜3において説明したように、本発明の各実施形態の到来方向推定装置を利用すると、簡易かつ低消費電力のハードウェアの構成によって、パルス信号を送信する端末(ノード)の位置を測定する測位システムを実現することができる。   As described above, as described in the systems 1 to 3, when the arrival direction estimation device according to each embodiment of the present invention is used, the position of a terminal (node) that transmits a pulse signal with a simple and low power consumption hardware configuration. A positioning system can be realized.

401 アンテナ
402 直交周波数変換部(Down conversion)
403 サンプリング部(Smapling)
404 相関部(Correlation)
405 第1到来波検出部(First path synchronization)
406 ダウンサンプリング部(Down−samp)
407 同期追跡部(Tracking)
408 復調部(Demodulation)
409 到来時刻推定部(TOA estimation)
410、1302 タイミング制御部(Timing control)
411 到来方向推定部(AOA estimation)
412 ローカル発信器(LO)
413 タイミング生成部(TG)
414 制御部(Control)
1301 ピーク波・第1到来波検出部(Peak/First path synchronization)
1401 セレクター(Selector)
1402 アンテナ制御部(Antenna control)
1601 スイッチ
1602 減衰器(Att)
1603 位相差検出部(Phase−diff detector)
1701 送信アンテナ
1702 増幅器(Amplifier)
1703 パルス整形部(Phase shape)
1704 フレーム部(Frame)
1801、1901、2001 サーバ(Server)
1802、1806 制御部(Control)
1803、1805 送受信装置(Transceiver)
1804、1902、1903、2002、2003、2004 基地局(Base station)
1807、1904、2005 ノード(Node)
401 Antenna 402 Orthogonal frequency converter (Down conversion)
403 Sampling unit
404 Correlation
405 First incoming wave detection unit (First path synchronization)
406 Down-sampling unit (Down-samp)
407 Synchronization tracking unit (Tracking)
408 Demodulation unit (Demodulation)
409 Arrival time estimation unit (TOA estimation)
410, 1302 Timing control unit (Timing control)
411 Direction of Arrival Estimator (AOA estimation)
412 Local transmitter (LO)
413 Timing generator (TG)
414 Control unit (Control)
1301 Peak Wave / First Arrival Wave Detection Unit (Peak / First path synchronization)
1401 Selector
1402 Antenna control unit (Antenna control)
1601 Switch 1602 Attenuator (Att)
1603 Phase difference detector (Phase-diff detector)
1701 Transmitting antenna 1702 Amplifier (Amplifier)
1703 Phase shaping unit (Phase shape)
1704 Frame part (Frame)
1801, 1901, 2001 Server (Server)
1802, 1806 Control unit (Control)
1803, 1805 Transmitter / receiver (Transceiver)
1804, 1902, 1903, 2002, 2003, 2004 Base station
1807, 1904, 2005 Node (Node)

Claims (16)

無線機によって送信された無線信号の到来方向を推定する到来方向推定装置であって、
前記到来方向推定装置は、複数のアンテナと、第1サンプリング部と、第1相関部と、到来方向推定部と、第1到来波検出部と、タイミング制御部と、を備え、
前記各アンテナは、マルチパス環境において第1の前記無線信号の第1到来波及びその他の到来波を受信し、
前記第1到来波検出部は、前記第1相関部によって出力された、前記第1の無線信号の相関データに基づいて、前記第1到来波を検出し、
前記タイミング制御部は、前記検出された第1到来波に基づいて、第1サンプリングタイミングを決定し、
前記第1サンプリング部は、前記第1到来波から生成されたパケットのプリアンブル期間中に、所定のサンプリング周波数に基づいて、前記第1の無線信号を直交復調することによって取得されるI、Q信号と、前記決定された第1サンプリングタイミングと、の同期を確立し、
前記第1相関部は、前記第1サンプリングタイミングによってサンプリングされたI、Q信号と前記無線機が使用する拡散符号との符号相関を計算することによって、前記第1の無線信号の相関データを取得し、
前記到来方向推定部は、
前記第1相関部によって出力された、前記第1の無線信号の相関データに基づいて、前記各アンテナが受信した第1の無線信号の間の位相差を検出し、
前記検出された位相差に基づいて、前記第1の無線信号の到来方向を計算することを特徴とする到来方向推定装置。
An arrival direction estimation device for estimating an arrival direction of a radio signal transmitted by a radio device,
The arrival direction estimation device includes a plurality of antennas, a first sampling unit, a first correlation unit, an arrival direction estimation unit, a first arrival wave detection unit, and a timing control unit,
Each antenna receives a first incoming wave and other incoming waves of the first radio signal in a multipath environment;
The first incoming wave detection unit detects the first incoming wave based on correlation data of the first radio signal output by the first correlation unit,
The timing control unit determines a first sampling timing based on the detected first incoming wave;
The first sampling unit acquires I and Q signals obtained by quadrature demodulation of the first radio signal based on a predetermined sampling frequency during a preamble period of a packet generated from the first incoming wave. And synchronization with the determined first sampling timing,
The first correlator obtains correlation data of the first radio signal by calculating a code correlation between the I and Q signals sampled at the first sampling timing and a spreading code used by the radio. And
The arrival direction estimation unit includes:
Detecting a phase difference between the first radio signals received by the respective antennas based on correlation data of the first radio signals output by the first correlator;
An arrival direction estimation apparatus, wherein an arrival direction of the first radio signal is calculated based on the detected phase difference.
前記サンプリング周波数は、前記受信した第1の無線信号のパルス繰り返し周波数であることを特徴とする請求項1に記載の到来方向推定装置。   The arrival direction estimation apparatus according to claim 1, wherein the sampling frequency is a pulse repetition frequency of the received first radio signal. 前記サンプリング周波数は、前記第1の無線信号のパルス繰り返し周波数以上であって、前記第1の無線信号のパルス幅の逆数に対応する周波数以下であることを特徴とする請求項1に記載の到来方向推定装置。   2. The arrival according to claim 1, wherein the sampling frequency is equal to or higher than a pulse repetition frequency of the first radio signal and equal to or lower than a frequency corresponding to a reciprocal of a pulse width of the first radio signal. Direction estimation device. 前記到来方向推定部は、前記第1到来波から生成されたパケットのプリアンブル期間中に同期が確立してから、前記生成されたパケットのデータ部が終了するまでの間に、前記第1相関部によって出力された前記第1の無線信号の相関データに基づいて、前記第1の無線信号の到来方向を計算することを特徴とする請求項1に記載の到来方向推定装置。   The arrival direction estimation unit is configured to perform the first correlation unit from the time synchronization is established during the preamble period of the packet generated from the first arrival wave to the end of the data part of the generated packet. The arrival direction estimation apparatus according to claim 1, wherein the arrival direction of the first radio signal is calculated based on the correlation data of the first radio signal output by the first radio signal. 前記到来方向推定装置は、さらに、前記タイミング制御部によって決定された第1サンプリングタイミングに基づいて、前記第1到来波から生成されたパケットのフレーム開始部に対応する前記第1の無線信号を受信した時刻を計算する到来時刻推定部を備えることを特徴とする請求項1に記載の到来方向推定装置。   The arrival direction estimation device further receives the first radio signal corresponding to a frame start portion of a packet generated from the first arrival wave based on the first sampling timing determined by the timing control portion. The arrival direction estimation apparatus according to claim 1, further comprising an arrival time estimation unit that calculates the calculated time. 前記到来方向推定装置は、さらに、無線信号を送信する送信部を備え、
前記到来時刻推定部は、前記送信部が第2の前記無線信号を送信した時刻と、前記第2の無線信号を受信した前記無線機によって送信された前記第1の無線信号を受信した時刻との間の時間を計測することを特徴とする請求項5に記載の到来方向推定装置。
The arrival direction estimation apparatus further includes a transmission unit that transmits a radio signal,
The arrival time estimation unit includes a time at which the transmission unit transmits the second radio signal, and a time at which the first radio signal transmitted by the radio that has received the second radio signal is received. The direction-of-arrival estimation apparatus according to claim 5, wherein the time is measured.
前記到来方向推定装置は、さらに、ダウンサンプリング部と、復調部と、を備え、
前記第1到来波検出部は、さらに、前記第1サンプリングタイミングによってサンプリングされたI、Q信号と前記拡散符号とを同期させるための逆拡散タイミングを検出し、
前記ダウンサンプリング部は、
前記検出された逆拡散タイミングに基づいて、前記第1相関部によって出力された前記第1の無線信号の相関データをサンプリングし、
前記復調部は、前記ダウンサンプリング部によってサンプリングされた相関データに基づいて、前記パケットの符号情報を作成することを特徴とする請求項1に記載の到来方向推定装置。
The arrival direction estimation apparatus further includes a downsampling unit and a demodulation unit,
The first incoming wave detection unit further detects a despreading timing for synchronizing the I and Q signals sampled at the first sampling timing with the spreading code,
The downsampling unit includes:
Based on the detected despreading timing, the correlation data of the first radio signal output by the first correlator is sampled,
The arrival direction estimation apparatus according to claim 1, wherein the demodulation unit creates code information of the packet based on the correlation data sampled by the downsampling unit.
前記第1の無線信号は、所定のパルス幅の信号が間欠的に送信されるウルトラワイドバンドインパルス信号であることを特徴とする請求項1に記載の到来方向推定装置。   The arrival direction estimation apparatus according to claim 1, wherein the first radio signal is an ultra-wideband impulse signal in which a signal having a predetermined pulse width is intermittently transmitted. 前記到来方向推定装置は、さらに、第2サンプリング部と、第2相関部と、を備え、
前記第1到来波検出部は、前記第2相関部によって出力された、前記第1の無線信号の相関データに基づいて、前記その他の到来波を検出し、
前記タイミング制御部は、前記検出されたその他の到来波に基づいて、第2サンプリングタイミングを決定し、
前記第2サンプリング部は、前記その他の到来波から生成されたパケットのプリアンブル期間中に、所定のサンプリング周波数に基づいて、前記第1の無線信号を直交復調することによって取得されるI、Q信号と、前記決定された第2サンプリングタイミングと、の同期を確立し、
前記第2相関部は、
前記第2サンプリングタイミングによってサンプリングされたI、Q信号と前記拡散符号との符号相関を計算することによって、前記第1の無線信号の相関データを取得し、
前記取得した相関データを前記復調部に出力することを特徴とする請求項1に記載の到来方向推定装置。
The arrival direction estimation apparatus further includes a second sampling unit and a second correlation unit,
The first incoming wave detection unit detects the other incoming waves based on the correlation data of the first radio signal output by the second correlation unit,
The timing control unit determines a second sampling timing based on the detected other incoming waves,
The second sampling unit obtains I and Q signals obtained by orthogonally demodulating the first radio signal based on a predetermined sampling frequency during a preamble period of a packet generated from the other incoming waves. And synchronization with the determined second sampling timing,
The second correlator is
Obtaining correlation data of the first radio signal by calculating a code correlation between the I and Q signals sampled at the second sampling timing and the spreading code;
The arrival direction estimation apparatus according to claim 1, wherein the acquired correlation data is output to the demodulation unit.
さらに、アンテナ制御部を備え、
前記アンテナ制御部は、
前記パケットを受信する場合、前記複数のアンテナのうち、前記第1の無線信号を受信する一のアンテナを選択し、
前記第1の無線信号を直交復調することによって取得されるI、Q信号と前記第1サンプリングタイミングとの同期が確立し、所定の時間が経過した後、他のアンテナを選択し、
前記到来方向推定部は、
前期第1相関部によって出力された前記第1の無線信号の相関データのI、Q信号を取得し、
前記取得した各相関データのI、Q信号に基づいて、前記選択されたアンテナが受信した各第1の無線信号の間の位相差を検出することを特徴とする請求項1に記載の到来方向推定装置。
Furthermore, an antenna control unit is provided,
The antenna controller is
When receiving the packet, select one antenna that receives the first radio signal from the plurality of antennas;
After synchronization between the I and Q signals acquired by orthogonal demodulation of the first radio signal and the first sampling timing is established and a predetermined time has elapsed, another antenna is selected,
The arrival direction estimation unit includes:
Obtaining I and Q signals of correlation data of the first radio signal output by the first correlator in the previous period;
The direction of arrival according to claim 1, wherein a phase difference between each first radio signal received by the selected antenna is detected based on the I and Q signals of each acquired correlation data. Estimating device.
さらに、スイッチと、位相差検出部と、を備え、
前記スイッチは、前記複数のアンテナが受信した第1の無線信号、及び前記直交復調のために使用されるローカル信号のいずれかを出力し、
前記位相差検出部は、前記スイッチによって、前記直交復調に使用されるローカル信号が出力される場合、各アンテナに対応する受信機内部の経路差によって生じる位相差を検出し、
前期到来方向推定部は、前記スイッチによって、前記複数のアンテナが受信した第1の無線信号が出力される場合、前記位相差検出部によって検出された、各アンテナに対応する受信機内部の経路差によって生じる位相差を用いて、前記計算された第1の無線信号の到来方向を補正することを特徴とする請求項1に記載の到来方向推定装置。
Furthermore, a switch and a phase difference detection unit are provided,
The switch outputs either a first radio signal received by the plurality of antennas or a local signal used for the orthogonal demodulation,
The phase difference detection unit detects a phase difference caused by a path difference inside the receiver corresponding to each antenna when a local signal used for the quadrature demodulation is output by the switch.
When the first radio signal received by the plurality of antennas is output by the switch, the first-order arrival direction estimation unit detects a path difference inside the receiver corresponding to each antenna detected by the phase difference detection unit. The direction-of-arrival estimation apparatus according to claim 1, wherein the calculated arrival direction of the first radio signal is corrected using a phase difference generated by.
無線機によって送信された無線信号の到来方向を推定する到来方向推定装置において実行される到来方向推定方法であって、
前記到来方向推定装置は、複数のアンテナと、第1サンプリング部と、第1相関部と、到来方向推定部と、第1到来波検出部と、タイミング制御部と、を備え、
前記到来方向推定方法は、
前記各アンテナが、マルチパス環境において第1の前記無線信号の第1到来波及びその他の到来波を受信し、
前記第1到来波検出部が、前記第1相関部によって出力された、前記第1の無線信号の相関データに基づいて、前記第1到来波を検出し、
前記タイミング制御部が、前記検出された第1到来波に基づいて、第1サンプリングタイミングを決定し、
前記第1サンプリング部が、前記第1到来波から生成されたパケットのプリアンブル期間中に、所定のサンプリング周波数に基づいて、前記第1の無線信号を直交復調することによって取得されるI、Q信号と、前記決定された第1サンプリングタイミングと、の同期を確立し、
前記第1相関部が、前記第1サンプリングタイミングによってサンプリングされたI、Q信号と前記無線機が使用する拡散符号との符号相関を計算することによって、前記第1の無線信号の相関データを取得し、
前記到来方向推定部が、
前記第1相関部によって出力された、前記第1の無線信号の相関データに基づいて、前記各アンテナが受信した第1の無線信号の間の位相差を検出し、
前記検出された位相差に基づいて、前記第1の無線信号の到来方向を計算することを特徴とする到来方向推定方法。
An arrival direction estimation method executed in an arrival direction estimation device that estimates an arrival direction of a radio signal transmitted by a radio,
The arrival direction estimation device includes a plurality of antennas, a first sampling unit, a first correlation unit, an arrival direction estimation unit, a first arrival wave detection unit, and a timing control unit,
The direction of arrival estimation method includes:
Each antenna receives a first incoming wave and other incoming waves of the first radio signal in a multipath environment;
The first incoming wave detection unit detects the first incoming wave based on correlation data of the first radio signal output by the first correlation unit;
The timing control unit determines a first sampling timing based on the detected first incoming wave;
I and Q signals acquired by the first sampling unit performing quadrature demodulation of the first radio signal based on a predetermined sampling frequency during a preamble period of a packet generated from the first incoming wave And synchronization with the determined first sampling timing,
The first correlator obtains correlation data of the first radio signal by calculating a code correlation between the I and Q signals sampled at the first sampling timing and a spreading code used by the radio. And
The direction of arrival estimation unit,
Detecting a phase difference between the first radio signals received by the respective antennas based on correlation data of the first radio signals output by the first correlator;
An arrival direction estimation method, wherein an arrival direction of the first radio signal is calculated based on the detected phase difference.
前記サンプリング周波数は、前記受信した第1の無線信号のパルス繰り返し周波数であることを特徴とする請求項12に記載の到来方向推定方法。   The direction of arrival estimation method according to claim 12, wherein the sampling frequency is a pulse repetition frequency of the received first radio signal. 前記サンプリング周波数は、前記第1の無線信号のパルス繰り返し周波数以上であって、前記第1の無線信号のパルス幅の逆数に対応する周波数以下であることを特徴とする請求項12に記載の到来方向推定方法。   The arrival according to claim 12, wherein the sampling frequency is equal to or higher than a pulse repetition frequency of the first radio signal and equal to or lower than a frequency corresponding to a reciprocal of a pulse width of the first radio signal. Direction estimation method. 前記到来方向推定部が、前記第1到来波から生成されたパケットのプリアンブル期間中に同期が確立してから、前記生成されたパケットのデータ部が終了するまでの間に、前記第1相関部によって出力された前記第1の無線信号の相関データに基づいて、前記第1の無線信号の到来方向を計算することを特徴とする請求項12に記載の到来方向推定方法。   The first correlation unit between the time when the arrival direction estimation unit establishes synchronization during the preamble period of the packet generated from the first arrival wave and the time when the data part of the generated packet ends. 13. The arrival direction estimation method according to claim 12, wherein the arrival direction of the first radio signal is calculated based on the correlation data of the first radio signal output by. 前記到来方向推定装置は、さらに、到来時刻推定部を備え、
前記到来方向推定方法は、前記到来時刻推定部が、前記タイミング制御部によって決定された第1サンプリングタイミングに基づいて、前記第1到来波から生成されたパケットのフレーム開始部に対応する前記第1の無線信号を受信した時刻を計算することを特徴とする請求項12に記載の到来方向推定方法。
The arrival direction estimation device further includes an arrival time estimation unit,
In the arrival direction estimation method, the arrival time estimation unit corresponds to the frame start unit of the packet generated from the first arrival wave based on the first sampling timing determined by the timing control unit. The arrival direction estimation method according to claim 12, wherein the time when the radio signal is received is calculated.
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